01

雜質

不僅外來的原子，晶格中所有的缺陷都可能在禁帶中引入新的能級，這些能級可以是施主型的，也可以是受主型的。特別是在半導體是化合物時，按照化學組成配比多余的原子也會在禁帶中創造新的能級，因為它們并未占據晶格中的標準位置。

這些能級是施主能級還是受主能級，實際上取決于化合物中多余原子的化學特性。這也是為何我們稱所有能在禁帶中造成額外能級的因素為“雜質”的原因。由這些能級所引發的導電現象，我們統一稱之為雜質導電。

如果我們在施主雜質的半導體中加入了受主雜質，由于補償效應，由雜質產生的載流子數量會減少。同樣，如果在以空穴為主要導電機制的半導體中摻入施主雜質，也會發生類似的現象。

有些半導體中雜質的濃度較低，且在常溫下，雜質是提供載流子的主要來源。盡管我們可以通過現代方法進一步提純這些半導體，有時甚至能將雜質含量降低到百萬分之一以下，但提純的結果會顯著減少電導率，使半導體轉變為本征半導體。

不過，通過巧妙地摻入雜質，我們可以制造出具有所需電導率的半導體。更為關鍵的是，我們甚至可以在經過提純的半導體中創造出具有不同導電類型的區域。

02

雜質與電子

電子為何容易與雜質原子分離？原因在于自由原子的電離電勢普遍不低于4伏，而雜質原子在晶格中的激活能往往遠低于0.1電子伏。這種現象的物理基礎在于物質介質的極化，這一性質由介電常數ε來衡量。當雜質原子摻入介質，電荷分布會重新調整，導致介電極化。

晶體的極化過程常導致總能量減少，進而削弱雜質原子中原子核與電子的結合力。這使得電子軌道擴大，電離能——即讓電子脫離原子所需的能量——顯著降低。

由于電子軌道的增大，即便在雜質濃度較低時，也可能形成導帶。當價電子軌道顯著擴大時，雜質原子可被視為介電質中的類氫原子，這時可以應用氫原子理論來計算其軌道半徑和電離能。

值得注意的是，純凈的半導體中總存在一定量的雜質。在雜質半導體中，除了激發產生雜質載流子，還會伴隨本征載流子的激發。

盡管這些本征載流子對雜質半導體的總體影響較小，但在某些情況下，我們不僅要考慮代表雜質半導體特性的主要載流子，還需考慮由本征導電產生的、具有相反符號的少量載流子。

電子和空穴的遷移率不同，導致n型和p型半導體的電阻值存在差異。雜質對半導體電導率的影響極大，鍺的電阻變化范圍可達百萬倍，而硅的變化范圍更是高達幾億倍。

03

雜質與點陣

在晶體點陣中雜質原子所占據的位置可以有二種方式:一種是在點陣的結點上，另一種是位于結點之間。對于第一種情形，我們說是“替代式雜質”，而第二種情形是“間隙式雜質”。現在我們來較詳地討論一下，在鍺(或硅)的點陣中替代式雜質所產生的作用問題，低價雜質向四價點陣奪取一個電子時，在點陣中就出現了空穴。

這些空穴并不局限于點陣的某一個結點，它們在晶體中不斷地進行雜亂的運動、如果對這樣的晶休加上一個外電場 ，這些空穴的運動將具有一定的方向性，并在實驗中表現出空穴的正導電性。

其實，在這種情況下，真正運動的是電子不過，電子從一個原子到另一個原子的順序移動可以形式地描為一個空穴進行著和電子逆向的運動、可以這樣說，在這種情況下，可以用一個空穴的相應運動來代替許多電子的運動，雜質原子替代后所起的作用取決于它們的化學價。

從普遍的概念出發，可以作出結論:當金屬原子用失去外層電子的方法來激烈削減自己的體積時，才可能摻入到狹窄的點陣結點間隙中去，同時所失去的電子就在晶體中進行運動，而使晶體具有電子導電的特性。同樣也可以得出結論，由于離子的半徑很大，很多類金屬的離子是不可能摻入到點陣結點間中去的。

還可能由于金屬原子的過剩，在離子點陣中形成一些空著的負結點。從整個物體的電中性觀念出發，同樣數量的陽離子必須和電子互相結合而變成中性態。由于和電子的結合而形成的電中性狀態，也可以在點陣中移動而構成電子導電性:根據同樣的理由，過剩的類金屬原子可以形成空的正結點，必然使鄰近的陰離子中和，或者使金屬離子產生補充的電離(如果在能量上是比較有利的話)。

不論在任何一種情況下，空的結點總是和點陣電子有所聯系的，即在晶體中形成了空穴。這些空穴可以在晶體中運動而形成空穴導電性。在我們所討論的這二種情況中，離子晶體的導電狀態都是激發態。

這個結論的物理內容就是:在第一種情況下，電子的脫離和第二種情況下空穴的形成都需要消耗一定的激發能。因此，在絕對零度、完全漆黑和微弱的外電場條件下，這樣的離子晶體應當是最好的絕緣體。

審核編輯：黃飛